I-Shou University Institutional Repository:Item 987654321/19234

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(1)義守大學材料科學與工程學系碩士論文. 拓印聚乙烯乙烯醇 /氧化鋅柱電化學感測電極製備及其膀胱癌人類檢體試驗 Preparation of electrodes with molecularly imprinted poly(ethylene-co-vinyl alcohol) coated zinc oxide arrays applied to clinical trial for bladder cancer. 研究生：張育嘉指導教授：李玫樺教授共同指導：林宏殷教授中華民國 104 年 11 月.

(2) 拓印聚乙烯乙烯醇 /氧化鋅柱電化學感測電極製備及其膀胱癌人類檢體試驗 Preparation of electrodes with molecularly imprinted poly(ethylene-co-vinyl alcohol) coated zinc oxide arrays applied to clinical trial for bladder cancer 研究生：張育嘉指導教授：李玫樺指導教授：林宏殷. S t u d e n t：Y.C. Chang Adv iso r：M . H . L e e Co-Advisor：H . Y . L i n. 義守大學材料科學與工程學系碩士論文 A Thesis Submitted to Department of Materials Science & Engineering I-Shou University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Master degree in Materials Science & Engineering July , 2015 Kaohsiung, Taiwan, Republic of China. 中華民國 104 年 11 月.

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(4) 拓印聚乙烯乙烯醇 /氧化鋅柱電化學感測電極製備及其膀胱癌人類檢體試驗摘. 要. 人體尿液中被發現核基質蛋白 22(NMP-22)、3-羥基鄰氨基苯甲酸 (3-HAA)及犬尿酸(KYNA)為檢測膀胱癌之指標分子。本研究中以水熱法於金電極表面成長奈米氧化鋅柱，其直徑約為 265.31 ± 39.91 nm，並以溶劑揮發法製備出 NMP-22、3-HAA 及 KYNA 分子拓印聚乙烯乙烯醇於氧化鋅電極，以可攜式恆電位儀進行非侵入式的電化學檢測。NMP-22 對於乙烯比例為 27 mole%的聚乙烯乙烯醇有較佳的拓印效率值。以 NMP-22 拓印氧化鋅電極對比 NMP-22 拓印電極，在吸附濃度 100 pg/mL 時，拓印氧化鋅電極之電流差值為 64.56 ± 3.46 A/cm2，而拓印薄膜電極之電流差值為 37.13 ± 2.16 A/cm2，差異可達 1.74 倍；以 3-HAA 對拓印氧化鋅電極對比 3-HAA 拓印電極，在吸附濃度 10 pg/mL 時，拓印氧化鋅電極之電流差值為 34.98 ± 0.63 A/cm2，而拓印薄膜電極之電流差值為 23.21 ± 1.00 A/cm2，差異可達 1.51 倍；以 KYNA 對拓印氧化鋅電極對比 KYNA 拓印電極，在吸附濃度 100 pg/mL 時，拓印氧化鋅電極之電流差值為 29.66 ± 1.24 A/cm2，而拓印薄膜電極之電流差值為 18.82 ± 2.02 A/cm2，差異可高達 1.58 倍，證明成長氧化鋅確實能提升靈敏度。進行電化學干擾性測試，可得知三種分子拓印氧化鋅電極對於干擾因子影響程度低。以循環伏安法進行添加法量測檢體尿液，結果得知準確率最高可達 95.53 ± 3.35 %。. I.

(5) 本研究與成大醫院泌尿科醫生合作並進行人體臨床試驗，利用 NMP22、3-HAA 拓印奈米氧化鋅電極結合注射式微流體系統進行尿液檢體量測，其檢測膀胱癌之準確率分別為 75.0%和 87.5%。. 關鍵字：核基質蛋白 22、3-羥基鄰氨基苯甲酸、犬尿酸、尿液、膀胱癌、分子拓印、氧化鋅、聚乙烯乙烯醇、人體臨床試驗. II.

(6) ABSTRACT Nuclear matrix protein no.22(NMP22), 3-Hydroxyanthranilic acid(3-HAA) and kynurenic acid(KYNA) were found in patients’ urine of with bladder cancer. In this work, Zinc oxide(ZnO) rods were hydrothermally grown on a gold substrate; the rods had an average length and diameter of 1.08±0.11 μm and 265.31±39.91 nm, respectively. NMP-22, 3-HAA and KYNA were imprinted into poly(ethylene-co-vinyl alcohol), EVAL, which were coated onto ZnO rod arrays. Using non-invasive electrochemical detection in urine samples by portable potentiostat. The higher imprinting effectiveness for NMP-22 was obtained with 27 mole % of ethylene. The electrochemical response with MIPs/ZnO electrodes was 1.5-fold higher than that with MIPs by the injection microfluidic CV system. In human clinical trials, the sensitivity of NMP-22 and 3-HAA were 75.0 and 87.5%.. Keywords: Nuclear matrix protein no. 22, 3-hydroxyanthranilic acid, kynurenic acid, bladder cancer, urine, poly(ethylene-co-vinyl alcohol)(EVAL), Zinc Oxide, human clinical trials. III.

(7) 謝. 誌. 碩士生活一路走來，雖然跌跌撞撞，過程中逝去了很多，但收穫更多，由衷的感謝身旁的每位，因為有你們大家的幫忙，我才能完成我的研究。我要先感謝我的媽媽，無條件的支持我做我想做的事並時時的關心我。感謝我的爸爸，雖然話不多，但總是先為我想好下一步，讓我對未來有了些方向。感謝我的姐姐，關心著我的生活與開示我的感情。也感謝我的圈圈，雖然妳很皮又很笨，但總是能在我感到疲憊時，給我精神上的慰藉。家人的支持與鼓勵讓我無憂的完成學業。衷心感謝我的指導教授李老師及林老師，從專題生一路到碩士生的教導，一開始什麼都不會，慢慢累積經驗及基礎，也給予了我很多不同的方向。自認為不是聰明的學生，老師一點一點的指導，讓我成長了許多，過程雖然辛苦，但收穫真的很多。且在實驗的環境上，給予著很多優良的設備，讓我能更有效率的在實驗上。更要感謝老師給了我們出國參與國際研討會的機會，讓我們大大的增加了國際觀且了解自己的不足。感謝精密儀器的學姊，雖然我是 XRD 的管理者，但我實在無法常常在義守，妳一定幫我擋了不少事情，真的很感謝妳，給妳添麻煩了。感謝成大(維鈞、維鈞學弟妹們還有助理)，在計畫中認識了大家，維鈞也給了我不少人生的經驗，我對電機完全一竅不通，也仔細地告訴我和我討論，也辛苦了學弟妹們，有你們的量測，計畫才能有結果。感謝助理，給了我很多關於生科的理論與常識。感謝實驗室的學長們，專題生時剛進實驗室，什麼都不會，連配藥也不懂，感謝阿吏學長從基礎細心的教導，甚至還常常突襲小考，不過也因為如此，換算濃度及配藥，讓我得心應手的應用了這麼多年。感謝煒哲及宏偉學長，教導我實驗上的原理及操作。感謝名桓、名園學長，儀器的教導及生活上的照顧，把專題生的我帶入實驗室的氛圍中，可以開心地做實驗與空閒時的聊天。感謝我專題時的夥伴們(殷寬、文琪、鈺荏、雲玉、文孜…)，同期加入實驗室，有這麼多的夥伴們，雖然各自做著不同的實驗，但彼此互相關心與照顧，這樣互相鼓勵的氛圍下，大家都順利地推甄。接著感謝建州學長，進入實驗室時，懵懂無知的我，在很多實驗的基礎及儀器 IV.

(8) 操作的不了解，找建州就對了，建州學長讓我非常的敬佩他，他總是充滿著自信且在很多實驗上就算不是他的領域，他的好奇心會驅使著他去學習去了解，因此很多不同的問題都可以找他探討。感謝小巴學長，剛開始會覺得小巴很兇很難接近，但熟了之後，就像是變個人似的，甚至連生活起居都會關心起來，小巴學長總是能為我們著想並適時地幫我們化解一些窘境，有了小巴學長讓整個實驗室染起了藝術色彩，不管是實驗的氛圍還是實驗室的牆，都因為小巴而活了起來。感謝煒迪學長，實驗的教導，有問題找你討論總是有不同的見解，讓我多了些方向可以參考。碩士一年級有著這些學長的照顧教導，讓我很多問題總是可以迎刃而解，生活上的照顧也少不了，偶而相約到球場宣洩，這樣歡樂的氛圍讓實驗室多了色彩。感謝我喜愛的實驗室學弟妹們(阿睿、怡妗、絹如、昇宏)，有你們的加入，實驗室多添了氣息，儀器和實驗上也幫助了不少，每逢生日還有慶生，一些簡單的舉動，深入人心，實驗室有這樣貼心的學弟妹，讓我少了很多煩惱。感謝我的實驗夥伴五指襪，碩士生活中有你真好，在很多小細節的地方，你總是會很計較，甚至到了吹毛求疵的地步，這樣的態度我覺得很棒，甚至也有點感染了我，因為你實驗室不變成髒亂的環境，且實驗上也幫了不少忙，感謝你陪伴了我 6 年的時光。感謝實驗夥伴漢章，後期有你的加入，不管在實驗還是儀器上，你總是有你的一套理論，我也在你身上學習了不少，在電化學的實驗上，因為你，讓我有了更多不同的看法，跟你一起討論總可以得到一些不同方面的見解，使得我的實驗能有更多的進展。感謝我的實驗夥伴經平，很高興在碩士中遇見了你，實驗上有你的討論，解決的不少問題，生活中有你的陪伴，甚至還把你的高大幫拉給我認識(煌廸、屁權、 YO C、尚樺…)，讓我度過了不少歡樂的時光，也謝謝你教我打羽球，雖然我本來就是球類小王子，但也是需要王牌教練的教導。去日本參加年會，感謝有你的照顧，大大小小的事情也都讓你處理，這是一趟很棒的回憶。最後的衝刺期裡，我最感謝的是你，如果沒有你的關心和陪伴，我想我很難可以撐得過去，陪著我修論文口試，也給不少的意見，且在我低潮的時候，很照顧我關心我，讓我有了力量撐著，就算你先畢業了，也是不斷的關心著我，真的很謝謝你，還有希望別再魯了。. V.

(9) 最後感謝我身旁的好朋友們(肥容、小胖、阿嫩)，你們總是能在我需要幫助時，第一個跳出來幫我，也陪我宣洩了情緒，瘋狂的學生時期有你們，我很開心，一起製造了不少回憶。還有很多感謝不完的人(義守的同學們、高中死黨、麻吉幫)，當然還有美麗的系助們(弟如、紙片片、宛蓁、雅雯)，謝謝你們辛苦地幫忙處理系上大小事，最後還要幫我們碩士生審論文，萬分感謝。有了大家的幫忙，我才能完成我的碩士論文及學業，在此感謝你們。. 張育嘉 2015.10.29 義守大學材料科學與工程學系研究所. VI.

(10) 總. 目. 錄. 中文摘要 ...................................................................................................................I 英文摘要.................................................................................................................III 誌謝.........................................................................................................................IV 總目錄.............................................................................................................. . ...VII 表目錄 .................................................................................................................... XI 圖目錄 ................................................................................................................. XIII 第一章前言 ............................................................................................................ 1 1.1 研究背景 ........................................................................................................ 1 1.2 研究動機 ....................................................................................................... 1 第二章文獻回顧 .................................................................................................... 3 2.1 膀胱癌介紹 ................................................................................................... 3 2.1.1 膀胱之功能與構造 .................................................................................. 3 2.1.2 膀胱癌的症狀 .......................................................................................... 5 2.1.3 膀胱癌的種類與分期 .............................................................................. 7 2.1.4 膀胱癌致病的因素 .................................................................................. 9 2.1.5 膀胱癌的診斷方式 ................................................................................ 10 2.1.6 3-羥基鄰氨基苯甲酸(3-Hydroxyanthranilic Acid, 3-HAA)與犬尿酸 (Kynurenic Acid, KYNA)結構及特性與臨床意義 ............................. 13 2.1.7 核基質蛋白 22(Nuclear Matrix Protein No.22)結構及特性與臨床意義 ......................................................................................................... 16 2.2 分子拓印技術(Molecularly imprinted technology) .................................... 18. VII.

(11) 2.2.1 分子模版的起源與發展 ........................................................................ 18 2.2.2 分子模版之原理 .................................................................................... 20 2.2.3 分子模版對目標物之辨識因素 ............................................................ 22 2.2.4 分子模版之應用 .................................................................................... 24 2.3 聚乙烯乙烯醇(Poly(ethylene-co-vinyl alcohol), EVAL) ........................... 27 2.3.1 聚乙烯乙烯醇的結構與原理 ................................................................ 27 2.3.2 聚乙烯乙烯醇之成膜原理 .................................................................... 29 2.4 生物感測器 ................................................................................................. 32 2.4.1 生物感測器的發展 ................................................................................ 32 2.4.2 生物感測器之類型與組成 .................................................................... 33 2.4.3 奈米材料應用於生物感測器 ................................................................ 37 2.5 氧化鋅的簡介 .............................................................................................. 39 2.5.1 氧化鋅基本特性與應用 ......................................................................... 39 2.5.2 水熱法製備氧化鋅之文獻回顧 ............................................................ 42 2.5.3 水熱法製備氧化鋅之原理 ..................................................................... 44 第三章實驗儀器與步驟 ...................................................................................... 47 3.1 實驗樣品與儀器 ......................................................................................... 47 3.1.1 實驗藥品 ................................................................................................ 47 3.1.2 實驗儀器 ................................................................................................ 49 3.2 實驗方法與步驟 ......................................................................................... 51 3.2.1 玻璃基板清洗步驟 ................................................................................ 51 3.2.2 製備分子拓印模版 ................................................................................ 51. VIII.

(12) 3.3 電化學量測實驗 ......................................................................................... 57 3.3.1 電化學分析 ............................................................................................. 57 3.3.2 可攜式恆電位儀 ..................................................................................... 57 3.3.3 循環伏特安培法(Cyclic voltammetry, CV) ......................................... 60 3.4 薄膜表面分析 ............................................................................................. 63 3.4.1 掃描式電子顯微鏡(Scanning electron microscope, SEM) .................. 63 3.4.2 能量散佈分析儀(Energy dispersive spectrometer, EDS) ..................... 65 3.4.3 化學分析電子光譜儀(Electron spectroscopy for chemical analysis, ESCA) ................................................................................................... 67 第四章實驗結果與討論 ...................................................................................... 70 4.1 分子拓印高分子薄膜之分析 ..................................................................... 70 4.1.1 不同乙烯比例的聚乙烯乙烯醇薄膜電極之電化學分析 ................... 70 4.1.2 目標分子拓印高分子薄膜之表面形貌與元素分析 ........................... 75 4.2 分子拓印薄膜電極於循環伏安法之量測 ................................................. 78 4.2.1 不同濃度聚乙烯乙烯醇與拓印濃度之電化學量測 ............................ 78 4.2.2 利用循環伏安法進行電化學量測........................................................ 80 4.2.3 利用循環伏安法進行電化學干擾測試................................................ 82 4.2.4 利用循環伏安法進行尿液量測 ............................................................ 84 4.3 以水熱法成長氧化鋅柱 ............................................................................. 86 4.3.1 不同晶種層濃度及不同時間成長氧化鋅之表面形貌 ....................... 86 4.4 分子拓印高分子於氧化鋅電極之表面形貌與元素分析 ......................... 91 4.4.1 分子拓印高分子於氧化鋅電極之表面形貌........................................ 91. IX.

(13) 4.4.2 分子拓印高分子於氧化鋅電極之元素分析........................................ 97 4.5 分子拓印高分子於氧化鋅柱電極進行電化學量測 ............................... 108 4.5.1 利用循環伏安法進行電化學量測...................................................... 108 4.5.2 利用循環伏安法進行電化學干擾測試.............................................. 120 4.5.3 利用循環伏安法進行檢體尿液的添加法量測.................................. 126 4.5.4 利用循環伏安法進行人體臨床試驗.................................................. 128 第五章結論 ........................................................................................................ 132 第六章參考文獻 ................................................................................................ 135 第七章附錄 ........................................................................................................ 153 附錄一. 人體試驗 MIPs/ZnO(NMP-22): ....................................................... 153 附錄二. 人體試驗 MIPs/ZnO(3-HAA): ......................................................... 159. X.

(14) 表. 目. 錄. 表 2-1 尿液中膀胱癌的標誌................................................................................. 12 表 2-2 分子拓印模板於食品分析上之應用[63] .................................................. 26 表 2-3 本實驗室使用拓印聚乙烯乙烯醇之用途 ................................................ 31 表 2-4 各種生物感測器的訊號轉換器[103] ........................................................ 35 表 2-5 本實驗室之感測器量測極限 .................................................................... 36 表 2-6 奈米材料結合生物感測器之應用 ............................................................ 38 表 2-7 纖鋅礦結構之氧化鋅物理特性[129] ........................................................ 40 表 3-1 特徵Ｘ射線分析法之比較 ........................................................................ 66 表 4-1 核基質蛋白-22 於不同乙烯比例之拓印效率 .......................................... 74 表 4-2 核基質蛋白-22 拓印高分子薄膜(a)清洗前、(b)清洗後與(c)再吸附之表面元素分析............................................................................................. 77 表 4-3 利用循環伏安法於注射式微流體系統進行尿液中核基質蛋白 22 濃度之量測 ............................................................................................................. 85 表 4-4 核基質蛋白 22 拓印高分子於氧化鋅柱電極之表面元素(a) ESCA 分析與 (b) EDS 分析.............................................................................................. 100 表 4-5 3-羥基鄰胺基苯甲酸拓印高分子於氧化鋅柱電極之表面元素(a)ESCA 分析與(b) EDS 分析 .......................................................................................... 104 表 4-6 犬尿酸拓印高分子於氧化鋅柱電極之表面元素(a) ESCA 分析(b) EDS 分析 ................................................................................................. 107 表 4-7 以拓印 NMP22 氧化鋅電極進行添加法量測檢體尿液之 NMP22 濃度 ........................................................................................................ 127 表 4-8 人體臨床試驗之檢測尿液中核基質蛋白 22 之濃度 ............................ 129 XI.

(15) 表 4-9 人體臨床試驗之檢測尿液中 3-羥基鄰氨基苯甲酸之濃度 .................. 131. XII.

(16) 圖. 目. 錄. 圖 2-1 (a)膀胱簡介圖與(b)構造切片組織[3] ......................................................... 4 圖 2-2 膀胱癌分期(a)案件比例與(b) 5 年內存活率[5] ........................................ 6 圖 2-3 膀胱癌的分期[7] ......................................................................................... 8 圖 2-4 (a)3-羥基鄰氨基苯甲酸與(b)犬尿酸分子結 ............................................ 14 圖 2-5 尿液中色氨酸代謝之途徑[29] ................................................................. 15 圖 2-6 核基質蛋白-22 之結構圖[33] ................................................................... 17 圖 2-7 分子拓印近年發表期刊統計圖(統計至 2015/05/27)[41] ....................... 19 圖 2-8 分子拓印模版之原理示意圖[46] ............................................................. 21 圖 2-9 聚乙烯乙烯醇結構式 ................................................................................ 27 圖 2-10 不同乙烯比對溫度之性質[64] ................................................................ 28 圖 2-11 生物感測器組成示意圖 ........................................................................... 34 圖 2-12 氧化鋅之纖鋅礦結構[123] ...................................................................... 41 圖 3-1 製備分子拓印薄膜電極示意圖 ................................................................ 54 圖 3-2 製備氧化鋅奈米柱分子拓印薄膜電極之示意圖 .................................... 56 圖 3-3 (a)可攜式與(b)獨立系統恆電位儀之電路示意圖 .................................... 59 圖 3-4 循環伏安法之(a)電位與時間與(b)電流與電位關係圖 ........................... 62 圖 3-5 掃描式電子顯微鏡(義守大學貴重儀器中心) ......................................... 64 圖 3-6 化學分析電子光譜儀(國立中山大學貴重共同儀器中心) ................... 69 圖 3-7 光電子效應示意圖[147] ........................................................................... 69 圖 4-1 注射式微流體系統之電化學量測 ............................................................ 72 圖 4-2 不同乙烯比例對核基質蛋白-22 之拓印效果 .......................................... 73 XIII.

(17) 圖 4-3 核基質蛋白 22 拓印高分子薄膜經由(a)清洗前(b)清洗後與(c)再吸附之表面形貌................................................................................................. 76 圖 4-4 不同濃度聚乙烯乙烯醇與拓印濃度之電化學量測 ................................ 79 圖 4-5 利用循環伏安法於微流體載台進行(a)核基質蛋白 22 拓印薄膜電極 (b)非拓印薄膜電極與(c)檢量線之電化學量測...................................... 81 圖 4-6 利用循環伏安法進行核基質蛋白-22 拓印薄膜電極之電化學干擾性測試 ........................................................................................................... 83 圖 4-7 不同晶種層濃度(a)0.1 (b)0.8 (c)1 與(d)2 M 之氧化鋅柱表面形貌 ....... 88 圖 4-8 不同成長時間(a)0.5 (b)1.5 (c)3 與(d)4 小時之氧化鋅柱表面形貌 ........ 89 圖 4-9 成長氧化鋅以不同成長時間對直徑尺寸之關係圖 ................................ 90 圖 4-10 以場發射式電子顯微鏡觀察核基質蛋白 22 拓印於氧化鋅電極 (a)清洗前、(b)清洗後與(c)再吸附後之表面形貌 .......................... 92 圖 4-11 以場發射式電子顯微鏡觀察 3-羥基鄰胺基苯甲酸拓印於氧化鋅電極 (a)清洗前、(b)清洗後與(c)再吸附後之表面形貌 ................................. 94 圖 4-12 以場發射式電子顯微鏡觀察犬尿酸拓印於氧化鋅電極(a)清洗前 (b)清洗後與(c)再吸附後之表面形貌 ...................................................... 96 圖 4-13 以 ESCA 進行拓印核基質蛋白 22 氧化鋅電極表面之氮元素分析 ..... 99 圖 4-14 以 ESCA 進行拓印 3-羥基鄰胺基苯甲酸氧化鋅電極表面之氮元素分析 ......................................................................................................... 103 圖 4-15 以 ESCA 進行拓印犬尿酸氧化鋅電極表面之氮元素分析 ................. 106 圖 4-16 利用循環伏安法於微流體系統進行(a)核基質蛋白 22 拓印氧化鋅電極 (b)非拓印氧化鋅電極與(c)檢量線之電化學量測................................ 110. XIV.

(18) 圖 4-17 利用循環伏安法於微流體系統進行核基質蛋白 22 拓印於氧化鋅電極之量測極限測試 ..................................................................................... 111 圖 4-18 利用循環伏安法於微流體系統進行(a) 3-羥基鄰胺基苯甲酸拓印氧化鋅電極、(b)非拓印氧化鋅電極與(c)檢量線之電化學量測 ........................ 114 圖 4-19 利用循環伏安法於微流體系統進行 3-羥基鄰胺基苯甲酸拓印於氧化鋅電極之量測極限測試 ................................................................ 115 圖 4-20 利用循環伏安法於微流體系統進行 (a)犬尿酸拓印氧化鋅電極 (b)非拓印氧化鋅電極與(c)檢量線之電化學量測................................ 118 圖 4-21 利用循環伏安法於微流體系統進行犬尿酸拓印於氧化鋅電極之量測極限測試..................................................................................... 119 圖 4-22 核基質蛋白 22 拓印高分子於氧化鋅電極進行干擾測試 ................... 121 圖 4-23 3-羥基鄰胺基苯甲酸分子拓印高分子於氧化鋅電極進行干擾測試 . 123 圖 4-24 犬尿酸分子拓印高分子於氧化鋅電極進行干擾測試 ......................... 125. XV.

(19) 第一章前言 1.1 研究背景膀胱癌是泌尿系統常見的惡性疾病，根據 2014 年我國衛生福利部的統計，膀胱癌是國人癌症 16 大死因排名第 14 位，年紀 55 歲以上之男性最為常見，國內每年因膀胱癌死亡者約在 879 位左右(每十萬人口 3.8 人)，其男與女的比例大約是 2.05：1。世界衛生組織(WTO)調查，膀胱癌發生率在癌症排行中第六名，以北美和歐洲為高發生率之地區，可能主要為化學相關產業集中或吸菸有關。由於膀胱癌早期無明顯症狀不易被發現，且復發率可高達 70%，因此治療後仍需密切追蹤，確保膀胱癌完全根除。膀胱癌致病主因為吸菸、職業環境曝露、藥物、輻射線與膀胱受到外物刺激、天生色胺酸分泌異常等，其中大部分因素與長期接觸致癌因子有關。目前以吸菸導致膀胱癌所占比例最高，長期吸菸會使尿液中色氨酸代謝物增多，導致膀胱組織細胞長期接觸最後發生癌病變。3-羥基鄰胺基苯甲酸與犬尿酸為色氨酸的代謝物，在人體尿液中的正常範圍值分別為 0.05~0.55 g/mL 與 0.5~2.1 g/mL，而核基質蛋白 22 與尿道上皮細胞脫落有關，當上皮細胞病變時，核基質蛋白 22 含量會高於 0.8 g/mL，故可藉由檢測尿液中標誌分子，達到可早期發現膀胱癌之目的。. 1.2 研究動機目前膀胱癌檢測需仰賴醫院的檢查才能得知結果，且其檢測方式為侵入式檢測還需花費較高醫療成本，加上膀胱癌初期症狀不明顯，因此容易錯過治療的黃金期。本研究希冀使用非侵入且可攜式之尿液檢測系統，達到居家照護，以發揮及早發現及早治療的功用，並可節省醫療資源及提高國民生活水準。. 1.

(20) 本研究以水熱法於金電極上成長奈米氧化鋅，藉由分子拓印技術及聚乙烯乙烯醇製備出分子拓印氧化鋅感測電極，結合可攜式恆電位儀進行電化學檢測，並與成大醫院泌尿科醫師合作進行人體臨床試驗，藉由量測檢體尿液中的膀胱癌指標分子，以判別是否得到膀胱癌的高危險群，以確認此感測器系統之準確性及臨床應用性。使用分子拓印技術之優點為製程快速方便、高選擇性、可重複使用且成本相對於天然抗體或酵素比較便宜，結合電化學感測系統主要優點是具可攜式、量測快速、元件材料成本較低及有高度準確性。. 2.

(21) 第二章文獻回顧 2.1 膀胱癌介紹 2.1.1 膀胱之功能與構造膀胱主要功能為收集腎臟過濾後的尿液，構造為椎體囊狀，是中空且具有彈性的肌肉器官，位於盆底。為恥骨的上方，下腹部的中央，銜接經由腎臟過濾後的尿液。膀胱的容量約為 500~1000 毫升[1]，因人而異。無尿狀況時，因腹腔內的器官下壓與恥骨會限制膀胱向前膨脹所以膀胱會呈現椎體形[2]，充滿時呈現圓形，頂部可高出恥骨上。膀胱的表皮主要由移行上皮細胞所構成，移行上皮細胞有約七、八層在膀胱表皮，上皮細胞具有彈性，可使表皮在膀胱充滿尿液撐開時不會破裂。膀胱構造如圖 2-1(a)所示，由黏膜層、黏膜下層、肌肉層、漿液層四層構造所組成，圖 2-1(b)可得知膀胱構造切片圖。其各層的功能分別為：. 1.. 黏膜層：又稱移形上皮層，為膀胱內層，數層過渡型表皮細胞，類似輸尿管的內襯，可適應膀胱體積的改變，幫助膀胱擴張。黏膜層和輸尿管及尿道連貫，黏膜由於在三角區和下肌層緊密連接，所以表面光滑，但其他區域則有明顯的皺褶，當膀胱飽滿時，皺褶則會因撐開而消失。. 2.. 黏膜下層：只存在於三角區以外的地方，具豐富的血管，有許多結締組織及彈性纖維，將黏膜和肌肉層緊密相連。. 3.. 肌肉層：由平滑肌纖維構成，肌束彼此連結形成逼尿肌，逼尿肌圍繞膀胱頸形成內尿道括約肌，由副交感神經支配，負責排尿反射。. 4.. 漿液層：主要為蜂窩脂肪組織，其它部分則由纖維結締組織組成，包圍著膀胱後上兩側及頂部。. 3.

(22) 圖 2-1 (a)膀胱簡介圖與(b)構造切片組織[3]. 4.

(23) 2.1.2 膀胱癌的症狀膀胱癌初期無明顯的症狀，不易被察覺所以容易錯失治療的最佳時機，晚期才會有下腹疼痛或摸到硬塊的情況。大部分膀胱癌皆由移行上皮細胞發生病變，屬於表淺性的膀胱癌，所以多半無法直接得知，導致少數病人腫瘤更加惡化或已轉移到其他器官如盆腔淋巴結、腎臟、肝臟、肺臟等，此時才可能由觸診或胸腔 X 光等方式得知。根據統計，有 85%的患者初期會有無痛性血尿的發生[4]，血尿通常為間歇性，隨著出血量多寡不同，尿液顏色會呈現淺咖啡至深紅色的變化，有時會有血塊排出。25%的病患會多尿、急尿、局部發炎腫痛，有時會有下肢水腫、恥骨上疼痛、腸阻塞等症狀。其他症狀如膀胱發炎、尿路感染、輸尿道阻塞導致腎絞痛或是腎衰竭，也都是膀胱癌的徵兆，一旦出現腎臟位置的腰疼、小腿腫脹、盆腔內膀胱附近有腫塊，即可能為膀胱癌晚期。五年內發現膀胱癌之分期的案件比例，如圖 2-2(a)所示，五年內之存活率，如圖 2-2(b)所示，可得知第三期後存活率很明顯的下降到 34%，到第四期後存活率只剩下 5.4%。目前膀胱癌之治療有手術切除腫瘤，大部分人都會採用手術切除，而化療則是用藥物殺除癌細胞，一般會用於手術後清除乾淨，另外也有利用免疫療法及放射線治療等方式。而膀胱癌治療後有極高的復發率，若能及早發現復發的腫瘤，其治癒成功的機率也當對較高，因此治療完後的監測與複診對於膀胱癌是非常的重要。. 5.

(24) (a). (b). 圖 2-2 膀胱癌分期(a)案件比例與(b) 5 年內存活率[5]. 6.

(25) 2.1.3 膀胱癌的種類與分期膀胱癌依組織型態主要可分為三種類型：移形上皮細胞癌(Transitional cell carcinoma)、鱗狀上皮細胞癌(Squamous cell carcinoma)及腺性上皮細胞癌 (Adenocarcinoma)。其中移形上皮細胞癌為最常見[6]，約 90%，7~8%為鱗狀上皮細胞癌，腺癌較為少見，約 2~4%。如圖 2-3 所示，膀胱癌分期是依據腫瘤部位、大小及擴散情形可分為：. 1.. 第 0 期(Stage 0)：稱為表淺性膀胱癌，是非常早期的癌症，癌細胞僅於膀胱黏膜層，未侵犯至膀胱肌肉組織層。. 2.. 第 1 期(Stage I)：癌細胞侵犯至黏膜下層，尚未侵犯膀胱壁肌肉，也未擴散至其他部位。. 3.. 第 2 期(Stage II)：癌細胞侵犯至膀胱肌肉層，但還未深入膀胱周圍的脂肪層，也未擴散至其他部位。. 4.. 第 3 期(Stage III)：癌細胞已侵犯至膀胱壁肌肉層，且深入膀胱周圍的脂肪層，並有可能擴散到鄰近器官(女性病患的陰道、子宮，男性病患的前列腺)，但還未擴散至淋巴結。. 5.. 第 4 期(Stage IV)：癌細胞已深入膀胱壁各層並擴散到腹腔，此時癌細胞也已擴散到附近的淋巴結及遠端的器官，例如骨骼、肺部、肝臟等器官。. 7.

(26) 圖 2-3 膀胱癌的分期[7]. 8.

(27) 2.1.4 膀胱癌致病的因素目前膀胱癌的致病因素以抽菸最為相關，其環境致癌物質也有著密切關係，男性與女性罹患膀胱癌的比例為 3:1，且居住城市的人膀胱癌發生率高於居住在鄉村的人。其現象指出其致病原因，與工作環境中的致癌物質，以及工業的發展有相當的關係[8, 9]。膀胱癌大多為移形性上皮細胞癌(Transitional cell carcinoma, TCC)，致病原因大多與長期接觸致癌因子有關。長期接觸致癌因子會由身體代謝至尿液中，此時尿液中含有致癌物質，會使膀胱黏膜與致癌物長時間接觸，導致上皮細胞病變，演變為膀胱癌。另外，體內代謝物及本身的基因也是致病的重要因素，以下為膀胱癌主要致病因素：. 1.. 吸菸：研究中發現膀胱癌之病例約有 30-50%的患者具抽煙習慣，研究有指出抽菸會使色氨酸及亞硝酸銨等代謝物累積於尿液中，導致膀胱細胞癌病變[10-12]。. 2.. 職場上之接觸：研究調查指出從事化學或染料工業、油漆工、印刷工、橡膠輪胎工等職業，會因為長期曝露含有芳香胺[13]、二奈胺等化學物質，提高膀胱癌的發生機率[8, 14]。. 3.. 生活環境接觸：以前台灣西南沿海烏腳病的流行區，該地居民除烏腳病病例多之外，也有膀胱癌和皮膚癌的發生。經國內研究發現與該地區長久以來飲用深井水有關，因其井水中含有高量的砷所導致[15]。. 4.. 輻射線：游離性輻射線照射骨盆腔，容易造成細胞組織的病變而提高膀胱癌的罹患機率[9]。. 9.

(28) 5.. 藥物及甜味劑：長期使用含有非那西丁(Phenacetine)的止痛藥[6]，以及治療淋巴瘤 (Lymphoma) 、腦癌、白血病而使用含有環磷醯胺 (Cyclophosphamide) 的藥物 [16] ，或食用過多人工甜味劑 - 沙卡林 (Saccharin)[17]，食用這些藥物及甜味劑，所代謝的化學成分會刺激膀胱細胞導致癌病變。. 6.. 長期受到外物刺激：埃及吸血蟲(Schistosoma Haematobium)寄生於膀胱 [18]、長期使用導尿管與膀胱結石及經常性膀胱發炎的病患，皆會增加罹患膀胱癌的機率[19]。. 2.1.5 膀胱癌的診斷方式目前診斷膀胱癌一般會先以尿液檢查確定血尿發生原因，還包含尿液細胞學檢驗、細胞染色體檢驗、X 光攝影檢驗、觸診、膀胱鏡合併切片檢查等，各檢驗方式如下所示[20, 21]：. 1.. 觸診(Palpation)：可由腹部觸診或由直腸、陰道進行內診，藉由觸摸的方式來檢查有無硬塊或凸起物進而診斷有無腫瘤，但初期膀胱癌難以藉由觸診得知，一般可能已經轉移到其他器官才會觸摸到癌症腫瘤。. 2.. 尿液細胞學檢驗(Urine cytology)：一般正常細胞只會因代謝而少數剝落，出現於尿液中，而膀胱腫瘤細胞會因其大量生長，故剝落數亦會較多，這些剝落的細胞會存於尿液中。尿液經由離心、抹片及固定後，可由抹片檢查，判斷是否有癌細胞存在，此為非侵入性的檢驗方式，且陽性率不高，約在 30-50%左右，為目前篩檢膀胱癌重要的診斷及追蹤方式。. 10.

(29) 3.. 靜脈腎盂攝影術(Intravenous pyelography, IVP)：IVP 是將顯影劑由靜脈打入體內，此顯影劑會由腎臟流經輸尿管、膀胱到達尿道排泄出。做 IVP 需要於檢查前 6~8 小時限水及禁食，使其 X 光顯影能更加清楚，可以檢查整個泌尿系統有無異常。. 4.. 膀胱內視鏡檢查(Cystoscopy)：藉由局部或全身麻醉，將膀胱鏡由尿道進入膀胱，以影像來觀察膀胱組織的型態、大小、數量及位子，也可得知膀胱的變化和阻塞的程度。若有觀察到可疑部份，可將該組織做切片檢查，確認是否為癌細胞。. 5.. X 光掃描(X-ray)：檢查肺部或骨骼是有異常，如膀胱癌已深入到肌肉層，可能會擴散到肺部或骨骼。. 6.. 電腦斷層及核磁共振(Computed Tomography)：電腦斷層是電腦化的 X 光片，可以把膀胱和周圍器官做剖面影像並呈現於螢幕上，比 X 光更清晰。腹部和骨盆的電腦斷層搭配核磁共振可檢驗淋巴結、骨盆內器官、輸尿管是否有異常，可使用靜脈注射顯影劑，讓影像更加清楚。. 目前主要檢驗膀胱癌之方式如上所示，其中部分檢驗方式的花費成本過高，而且並不是每家醫院都會有的精密設備。即使已確診為膀胱癌的患者，後續的治療必須進行化療與手術切除腫瘤、清創等手術，也需要追蹤是否有復發的疑慮。本研究希冀以居家檢驗的方式，檢驗尿液中的生物標誌如表 2-1 所示，達到居家照護的目的，達到隨時可以身體監測的效果，防範膀胱癌之發生與追蹤是否有癌症復發。. 11.

(30) 表2-1 Type. Molecule. Protein. 尿液中膀胱癌的標誌. Biomarkers. Reference conc.. 3-Hydroxyanthranilic acid. 0.05~0.55 g/mL. 3-Hydroxykynurenine. 0~1.15 g/mL. Xanthurenic acid. 0.15~0.9 g/mL. Kynurenine. 0.15~1.3 g/mL. Kynurenic acid. 0.5~2.1 g/mL. Nuclear matrix protein 22. < 0.8 g/mL. [24]. Bladder tumor antigen. < 50 U/mL. [25]. Mucin 1. < 4.8 U/mL. [26]. 12. Ref.. [22] [23].

(31) 2.1.6 3-羥基鄰氨基苯甲酸(3-Hydroxyanthranilic Acid, 3-HAA) 與犬尿酸 (Kynurenic Acid, KYNA)結構及特性與臨床意義膀胱癌主要是由於尿液中的致癌物刺激膀胱黏膜，導致膀胱細胞癌病變 [27]。Yoshida 等學者在尿源性致癌的研究中紀錄 38 位膀胱癌病患，在手術除去腫瘤後分析有 18 位病患尿液中色氨酸代謝物濃度過量，後續追蹤五年，初步分析尿液中含有色氨酸代謝物濃度過量的 18 位患者都有膀胱癌復發的情形 [28]，這時已經研究色氨酸代謝物與膀胱癌之間的關係。Kerr 等學者研究發現吸菸的人尿液中的 3-羥基鄰氨基苯甲酸與犬尿酸等代謝物會增加，結果顯示吸菸前後色氨酸中間代謝物如 3-羥基鄰氨基苯甲酸等的的量提升 50%，而終端毒性較小代謝物減少 34%，以證實吸菸會提高膀胱癌的發生率[12]。綜合以上學者出結論，膀胱癌與色氨酸的代謝物之間具有相當的關聯性。圖 2-4 為 3-羥基鄰氨基苯甲酸與犬尿酸之分子結構圖，此兩種分子主要是由色氨酸於肝臟中，經由吲哚胺-2,3-雙加氧酶(Indoleamine-2,3-dioxygenase, IDO)與色氨酸-2,3-加雙氧酶(Tryptophan-2,3-dioxygenase, TDO)水解所形成的代謝物[29]，色胺酸代謝途徑如圖 2-5 所示。在長期吸菸下使色氨酸代謝發生紊亂，導致膀胱黏膜長久接觸尿液中代謝致癌物而發生病變。3-羥基鄰氨基苯甲酸與犬尿酸在正常人體尿液濃度範圍分別為 0.05~0.55 g/mL 與 0.5~2.1 g/mL[22]，所以透過檢測尿液中兩種指標分子，以得知是否患膀胱癌的可能性。. 13.

(32) (a). (b). 圖 2-4 (a)3-羥基鄰氨基苯甲酸與(b)犬尿酸分子結. 14.

(33) 圖 2-5 尿液中色氨酸代謝之途徑[29]. 15.

(34) 2.1.7 核基質蛋白 22(Nuclear Matrix Protein No.22)結構及特性與臨床意義核基質蛋白 22(Nuclear Matrix Protein No.22, NMP22)為膀胱癌的腫瘤標記物，主要功能為控制細胞分裂的核基質蛋白。當細胞分裂，發生細胞凋亡，此時核基質蛋白 22 會從細胞核游離，並從尿液排出。尿道上皮細胞產生病變時核基質蛋白 22 排出量會比起正常高出約 25 倍[30]，另有研究指出核基質蛋白 22 於尿液中異常濃度為 0.8 g/mL [24]，因此可以推算一般正常人的範圍可能約為 32 ng/mL，其結構如圖 2-6 所示。在泌尿系統中引發上皮細胞癌最常見的是膀胱癌，其次為腎盂及輸尿管癌。這些癌症也都會產生細胞剝落的現象，因此檢查尿液中核基質蛋白 22 含量，如有升高，即可能為罹患尿道上皮的癌症徵兆。如發生血尿症狀，為確定是否罹患膀胱癌，醫院一般會以尿液細胞診斷[31]，但其敏感度較低，約 40~60%，且在症狀輕微時，敏感度會更低。以核基質蛋白 22 檢查尿道上皮癌的靈敏度優於尿液細胞診，但核基質蛋白 22 檢查出含量偏高時，不一定為癌症，最後需要搭配膀胱鏡做確診。檢查尿液中的核基質蛋白 22 是一項簡單且非侵入性的檢測，其可應用於早期尿檢發現低階的惡性膀胱癌或術後的膀胱癌監測，經研究指出核基質蛋白 22 檢測優於尿液細胞學檢測，不僅降低成本還可提高靈敏度[32]。. 16.

(35) 圖 2-6 核基質蛋白-22 之結構圖[33]. 17.

(36) 2.2 分子拓印技術(Molecularly imprinted technology) 2.2.1 分子模版的起源與發展 1894 年 Emil Fischer 以鑰匙和鎖的模型來說明酵素與基質之間的關係，解釋自然界中酵素及抗體抗原具有專一性[34]，而其中抗體組成的理論於 1930 年被 Mudd、Pauling 所提出，他們藉由生物體遭受外來抗原入侵時，生物體內會產生抗體，進而提出抗體與抗原(Antigen-antibody)之間互補的關係 [35, 36]，抗體形成之過程與構造理論，說明抗體是血清蛋白(Serum proteins) 自組性地排列在抗原附近，此自組性抗體在結構上與抗原有著互補的特異結構，至於抗原抗體間之結合力則是以氫鍵、離子鍵與凡得瓦力等作用所形成 [35]。抗體組成理論是具有辨識性及建設性，因此藉由抗體組成理論為基礎所發展出分子拓印模版的觀念，是由模板與分子間互相吸引之關係。 1949 年 Dickey 引用抗原抗體概念，提出波林理論(Theories of Pauling)，抗體的行為類似被改質的蛋白質，因此沒有氫鍵聯結，可自由移動。當接觸抗原，抗原上的化學功能性會攻擊抗體上的胺基酸，此機制稱為分子互補性行為(Molecular complementariness)[37]。1972 年 Wulff et al.研究團隊發展使用有機高分子材料製作具有酵素特性的高分子[38]、功能性有機高分子[39]及基板選擇性高分子[40]，以上述觀念所提出，建立分子拓印理論(MIP)的發展與應用。若以功能性有機高分子來製作分子模版(Molecular imprinting polymer, MIP)，利用單體與模版分子之間的非共價鍵形成複合物，將擁有官能基的單體(Monomer)與目標分子(Template)在交聯劑(Cross-linker)下進行高度交聯共聚反應，形成結構穩定的網狀高分子並且利用有機化學溶劑或是界面活性劑移除表面目標分子，便會形成具有立體結構與固定鍵結位置的孔洞，依不同的目標分子，則孔洞於結構及鍵結位置的呈現上也會有不同，使其分子模板具有高度的選擇性與專一性[39]，使得分子拓印高分子之相關研究與應用更加熱絡。 18.

(37) 分子拓印技術被發表於期刊的發展統計圖，如圖 2-7 所示，分子拓印技術於 1990 年開始被發展起來，在 2012 年時，總共被發表了超過 1000 篇關於分子拓印技術的論文。. 1200. Number of published items per year. 1000. 800. 600. 400. 200. 0 1940. 1960. 1980 Year. 2000. 2020. 圖 2-7 分子拓印近年發表期刊統計圖(統計至 2015/05/27)[41]. 19.

(38) 2.2.2 分子模版之原理以免疫學當基礎進而發展出分子拓印技術的觀念，經由 Pauling 與 Campbell 兩位學者描述抗體高分子圍繞於抗原分子附近，而產生自組性 (Self-assembled)反應，使其抗原與抗體做結合，如同鎖與鑰匙之間具專一辨識性的關係，達到緊密互補的結合[42]，此結合的作用主要是抗體和抗原之間擁有束縛力，而此束縛力主要為兩者之間的官能基作用力所致。分子間的作用力最早在 1873 年由 Van Der Waals 提出，這些相互吸引的作用力，包括氫鍵、金屬配位鍵、親疏水力、凡得瓦爾力、π-π 之間作用力及靜電吸引力[43, 44]。此些作用力可提供模板分子與目標分子兩者間的束縛力，並由簡易的移除步驟移除表面分子，達到重複吸附的動作。分子拓印高分子之原理與抗原抗體之間的關係相似，主要是透過化學聚合反應、交聯劑和單體，形成高分子模版抗體。對於高分子模版抗體而言可形成空間結構的固體聚合物，因此可產生具有固定大小、形狀的辨識孔洞。製備分子模板過程當中，目標分子的關係如同抗原，而高分子模版則如同抗體，因此模板對於目標分子具有高度選擇辨識力[45]。分子拓印高分子(Molecular imprinting polymers, MIPs)之製作過程如圖 2-8 所示，主要有以下四個步驟[46]：. A. 結合(Binding)：目標分子與高分子混合均勻，使高分子功能性單體與分子進行交互作用。. B. 聚合(Polymerization)：利用雙鍵結構之交聯劑與功能性單體進行聚合連結反應，或使用溶劑揮發法將溶劑蒸發固化。. C. 洗滌(Washing)：使用有機化學溶劑或是界面活性劑移除高分子模板表面的目標分子，使模板表面產生具有分子辨識之孔洞。 20.

(39) D. 再吸附(Rebinding)：含有目標分子之混合液進行再吸附，而高分子拓印的位置會與目標分子產生專一辨識性吸附作用。. 圖 2-8 分子拓印模版之原理示意圖[46]. 21.

(40) 2.2.3 分子模版對目標物之辨識因素分子拓印技術主要是應用模板分子和目標分子之間吸引作用力，達到具有辨識性的效果。其中兩者間的吸引力可分為高分子共價作用及分子間作用力，共價作用力包含可逆共價及非共價的相互作用，而分子間作用力擇包刮氫鍵(Hydrophobic bonding)、親疏水性(Hydrophobic)、靜電力(Electrostatic)、凡德瓦力(Van der Waals)等[47]。感測器辨識層之選擇一開始使用大環結構(Microcyclic structure)[48]的高分子聚合物，來進行仿生型分子辨識技術，主要因其具有高靈敏度及高選擇性。使用高分子聚合物之優點為可在廣泛範圍的化學及物理條件下，如高溫、高壓、高酸鹼和高毒性等情況，高分子聚合物仍然具有高穩定的特性，能克服天然抗體的使用限制。利用分子拓印技術與交聯劑(Cross linker)的搭配，可使高分子聚合物的附近形成分子模板，再利用模版分子與目標分子相互作用產生互補之結構，並且利用有機化學溶劑或界面活性劑移除模板表面的目標分子，此時高分子模板便會產生具有特異性之結構與辨識位置。當進行再吸附實驗時，目標分子則會透過分子間作用力 (Intermolecular interaction) 和互補性結構 (Complementary structure)達到專一性辨識。模版與目標分子需要一定的作用力才能做吸引，達到良好的辨識效果。此些作用力之鍵能介於0.1~70 kcal/mol，受到不同大小的作用力下，再吸附時目標分子與分子模版間的結合的程度也會影響到辨識效果。對於各種作用力的機制與吸附之形式如下所示：. 22.

(41) (a) 氫鍵(Hydrogen bonding) 氫鍵為一種分子間的作用力，也是永久偶極之間的作用力，其作用之方向與位置會影響到分子間鍵結的強度，強度的大小大約在10 kcal/mol 以下，比一般共價鍵、離子鍵、金屬鍵能還小，但強過靜電力。氫鍵作用力主要是來自偶極-偶極作用力(Dipole-dipole interaction)[45]。. (b) 靜電力(Electrostatic interaction) 主要是透過靜止帶電體之間互相作用所形成，它包含了帶電荷(Charge)、帶電偶極力(Electric dipole)和偶極-非偶極力(Dipole and non-dipole)[43, 49]，只存在於極性分子之間。. (c) 親疏水性(Hydrophobic interaction) 藉由水溶液中親油基團(Oily grouple)的聚集，傾向減少對於親油基團外部介面或水溶液的接觸，達到吸引的作用。. (d) 凡得瓦力(Van der waals forces) 為分子間非定向性、無飽和性且強度較弱的互相作用力，強度比氫鍵弱很多，強度約小於5 kcal/mol，其強度大小和分子大小成正比。它可以分為偶極-偶極力(Dipole-dipole interaction)、偶極-誘導偶極力(Dipole-induced dipole interaction)和分散力(Dispersion)三種[50]。. 23.

(42) 2.2.4 分子模版之應用分子拓印是一個非常通用的技術，有著高度選擇性且可由大的生物分子甚至到小分子都可應用，其製備方式簡單、材料成本便宜，且具高度熱穩定性及高度靈活性。分子模版發展至今有許多的應用，目前可分為生物與環境毒物檢測、藥物控制釋放、萃取與人工觸媒等。. 1.. 固相萃取(Solid phase extraction) 固相萃取為早期發展的一項樣品前處理技術，原理是利用管柱中所含的. 固定相(Stationary phase)具有特定大小的空隙或是針對目標物質具專一辨識性的孔洞，而存在移動相(Mobile phase)中的待分離混合物，在經過固定相的條件後，便能夠將混合物中的目標物質做分離、萃取、純化及濃縮等，比傳統液相萃取有著較高的回收率，且有效分離分析物。固相萃取技術結合分子拓印已被發現商業用途之可行性，已有應用於市場產品上，目前大部分研究都以小分子結構的有機物發展[51]。過去研究中曾經利用分子拓印粉體對銀杏葉的類黃酮素[52]與綠茶中的多酚[53] 與虎杖中的白藜蘆醇[54]等物質進行萃取。. 2.. 藥物釋放(Drug delivery) 藥物釋放原理最主要是將藥物包覆於載體上，送至釋放處後進行藥物釋. 放。因此載體的材料要求須具備良好的生物相容性及生物降解性，保護藥物避免被分解破壞。可透過體內的酸鹼值變化或是外部施加磁場、超音波等方式，使特定位置的藥物進行釋放達到治療的效果。本實驗室已經有成功將分子拓印技術應用在藥物包覆上進行藥物釋放[55]。. 24.

(43) 3.. 人工觸媒(Catalyst) 使用催化劑可以使化學反應加速，若利用分子拓印則需用比高分子堅固. 的材料，因其反應通常在高溫的環境下進行，材料一般會選用矽或金屬等。以溶膠凝膠法使用含有矽的溶液使其溶劑揮發，會於模板周圍形成矽網，並利用矽網之孔洞所增加表面積，增加化學反應速率[56]。以及利用由具有辨識位置的模板吸附更多藻類、細菌於分子模板上，藉由光合作用將細胞內電子可被導出細胞外而所產生電能[57-59]。. 4.. 感測器(Sensors): 生物體內的胺基酸、醣類、核甘酸、脂質等物質，會由代謝作用而進入. 血液、尿液等體液中，其中某些代謝物質濃度發生異常的情況時，可以作為疾病判斷之依據。此外隨著科技進步，生活上的食衣住行，往往含有人造的有害物質，且為了提高農業、漁業、畜牧業的產量與商品品質而添加化學物質，例如: 麵包添加香精、漁畜牧業添加抗生素、農業噴灑農藥等等，此些添加物嚴重影響食物鏈與週遭環境，最後人類也會因長期接觸與食用得到病症，目前以分子拓印應用於食物分析，如表 2-2 所示。. 環境毒物檢測大多採用酵素免疫分析法 (Enzyme linked immuno-sorbent assay, ELISA) 、液相 / 氣相層析質譜儀 (Gas/Liquid chromatograph-mass spectrometer, GC/LC MS)進行分析，上述的檢測方法須使用抗體進行實驗，其操作上具一定困難度，且使用之儀器價格昂貴，無法達到普及。但分子拓印模版具有選擇性佳、高穩定性、製備方便快速、材料成本低、可重複使用等，因此能針對生物體或環境中的待測物質進行初步檢測。目前分子拓印技術於感測器的開發持續蓬勃發展，目前以光學[60]、電化學[61]及質量[62]感測器被應用的最為頻繁。. 25.

(44) 表2-2. 分子拓印模板於食品分析上之應用[63]. Food analyses class. Example. Additives. Sweeteners, Colorants, Flavors, Preservatives. Contaminants. Herbicides, Pesticides. Pathogenic bacteria, Microbial toxin Sugars, Peptides, Proteins, Vitamins, Oils Triazines. Minerals trace metals. Heavy-metal ions. Pharmaceuticals Antibiotics. Antibiotics, Steroids. Components. 26.

(45) 2.3 聚乙烯乙烯醇(Poly(ethylene-co-vinyl alcohol), EVAL) 2.3.1 聚乙烯乙烯醇的結構與原理聚乙烯乙烯醇是由疏水性的乙烯單體與較親水性的乙烯醇單體所組成的高分子，其結構穩定呈現透明狀，具有良好的成膜性，可應用於食品、醫療、製藥、化妝品、工業等，對於油及有機溶劑有著高度的抗性[64]。分子結構式如圖 2-9 所示，其分子量約 7.11，密度 1.2 g/cm3。可由改變兩種不同單體的比例使聚合物產生不同的親疏水性，市面上販售的聚乙烯乙烯醇分別有含乙烯比例為 27、32、38、44 mole%，其不同比例之乙烯比也有著不同的熱性質，當乙烯比增加時，其玻璃轉換溫度也從 80℃逐漸下降，結晶溫度及熔點也是隨著乙烯比增加而下降，如圖 2-10 所示。聚乙烯乙烯醇共聚合物一般是以熱誘導相分離之方式製備膜層，藉由溫度控制或溶劑與非溶劑兩者之間的種類或相互比例的不同進而形成不同結構的薄膜，是屬於智慧型高分子材料。. H *. H. H. C C x H H. H * C H C 1-x OH. 圖 2-9 聚乙烯乙烯醇結構式. 27.

(46) 圖 2-10 不同乙烯比對溫度之性質[64]. 28.

(47) 2.3.2 聚乙烯乙烯醇之成膜原理非對稱型薄膜由 Loeb、Sourirajan 兩位學者於 1960 年提出，因為非對稱型薄膜的提出，使薄膜技術逐漸發展起來。非對稱型薄膜主要是由兩個子層結構所組成，其中子層結構包括了支撐性較佳的多孔層和上層薄膜，另一個則為結構較鬆散、孔洞較大的指狀微孔結構(Microvoids)[65]，而聚乙烯乙烯醇為非對稱型薄膜。近年來，許多研究開始使用相轉換(Phase inversion)的方法[66]來製備高分子薄膜。製備薄膜的原理是在沒有溶劑凝結的沉澱槽(Coagulaton baths)中，放入具高分子之溶劑，此時溶劑會與非溶劑在溶液中擴散導致形成相轉換，進而得到薄膜。聚乙烯乙烯醇是利用熱誘導式相分離(Thermal induced phase separation, TIPS)的方式製備出薄膜，此製備薄膜方式是以均質狀態的高分子溶液成膜，藉由改變溶劑和非溶劑之種類、比例或者控制溫度，進而形成不同結構的薄膜[67]，其中熱誘導式相分離又可分為乾式溶劑揮發法(Precipitation by solvent evaporation method)[68]和濕式相轉換法(Wet-phase inversion method)[69]。本實驗採用乾式溶劑揮發法，將聚乙烯乙烯醇中的溶劑以升溫之方式使其揮發，讓高分子固化形成薄膜。. 29.

(48) 2.3.3 聚乙烯乙烯醇之應用聚乙烯乙烯醇為多孔性之材料，且具高度生物相容性，目前已被多方面的應用，如控制親疏水性培養細胞生長[70, 71]、藥物釋放[72]、燃料電池的質子交換膜材料[73]、人體尿液[74]與唾液[75]的檢測等方面。本實驗室以聚乙烯乙烯醇應用於電化學、光學、磁學、重量變化分析與生物燃料電池等有許多相關的研究，如表 2-3 所示:. A. 電化學感測：以分子拓印聚乙烯乙烯醇製備出薄膜電極，並應用於生物感測器進行檢測，此生物感測系統具可攜式且快速檢測及材料便宜的特性，藉由感測電極吸附目標分子，導致電流值的改變以此趨勢做感測的分析。. B. 光磁學：以分子拓印聚乙烯乙烯醇結合量子點微粒及磁性奈米粒子製備出複合奈米微粒，利用具螢光的量子點，藉由吸附目標分子而導致辨識位置量子點減少做檢測，並以磁性奈米粒子之超順磁之特性進行分離純化或生物顯影之應用。. C. 重量分析：以分子拓印聚乙烯乙烯醇製作出感測層，並結合具高靈敏度之石英震盪天平做檢測，因其感測層吸附目標分子，導致重量產生變化，並由因天平震盪頻率變化與吸附重量之間關係進行檢測。. D. 生物燃料電池：以藻類或細菌拓印聚乙烯乙烯醇製備電極，藉由吸附藻類或細菌，並吸收太陽光進行光合作用，使其細胞內電子可被導出細胞外，通過電極、導線而傳遞到陰極，形成電流迴路產生電能。. 30.

(49) 表2-3. 本實驗室使用拓印聚乙烯乙烯醇之用途. Application. Type. Target Caffeine (-)Epigallocatechin Gallate. Electrochemical. Molecule. Protein Sensor. Neopterin. [76, 77]. 8-Hydroxydeoxyguanosine. [78]. Dopamine. [79]. 3-hydroxyanthranilic. [80]. Melatonin Urea. [81]. Creatinine. [82]. Melatonin Creatinine. Optical. Albumin. Protein Molecule Protein. [84-86]. Albumin. [87]. Lipase. Protein. [75, 88]. β2-microglobulin. [88]. Chlamydomonas Reinhardtii. [57, 58, 89, 90]. Fuel cell. Magnetism. Alpha-fetoprotein Amylase Resveratrol Lipase Amylase. Protein. 31. [75]. Lysozyme. Microorganism Rhodobacter Sphaeroides. Extration. [84]. Lysozyme. Algae Energy. [83]. Lysozyme Creatinine. Amylase Mass. [53]. Lysozyme. Molecule. Magnetism. Ref.. [59] [91] [55] [92] [54] [85, 86].

(50) 2.4 生物感測器 2.4.1 生物感測器的發展生物感測器於現今社會中被廣泛的應用與發展，而最早期的生物感測器之雛型於 1962 年由 Clark 和 Lyons 應用葡萄糖氧化酵素修飾於氧氣電極，並藉由偵測氧氣之消耗量進而定量人體血液中葡萄糖的濃度[93]，YSI (Yellow spring instruments)公司於 1972 年以 Clark 電極感測原理生產第一部商業化的血糖檢測器，但這種傳統的生物感測器不但價格昂貴、設計複雜且占空間還需要專業人員進行操作等因素，所以比較適用於醫院檢驗室，可進行大量分析檢體之用途。，然後 MediScense 公司於 1987 年起生產可攜式的血糖檢測器[94]。生物感測器於 1982 年開始以生化分析(Biochemical analysis)或免疫學中抗原-抗體的機制，並應用光學檢測血漿中的代謝物，例如尿素氮、葡萄糖、維生素 B12 等，藉由光學或電流訊號檢測器及資料處理系統來測量未知物的濃度，其中訊號轉換器的選擇也朝向更多樣化，例如:場效電晶體[95]、光纖[96]，壓電晶體[97]，表面聲波器[98]等，並以簡易、快速、可重複且價位較低為生物感測器之發展目標。 1990 年生物感測器的發展以酵素、微生物、免疫型、核酸與細胞等為主，並稱為免疫型陣列感測器(Immunosensor)，優點為具有高準確性及檢測迅速，目前於醫院及研究單位的使用還是很頻繁，但缺點為重複使用次數有限，所以此種生物感測器尚待有改善的空間[99]。綜合上述，感測器具低成本、無毒性且有高度專一性，利用分子拓印高分子(MIP)結合電化學之感測系統，可應用於居家醫療照顧系統(Home care)，進行預防疾病，在家即可自行檢測，並配合網絡提供即時資料給醫療人員做為診治的參考，達到及早發現及早治療的目的，大幅減輕重大疾病的發生，且可減少人力看護之成本。 32.

(51) 2.4.2 生物感測器之類型與組成現今生物感測器已經被廣泛應用於許多方面，如:化學分析、環境污染偵測、製藥、工業、疾病檢測等方面[100]。生物感測器之組成主要可分為辨識元件(Recognize element)、訊號轉換器(Transducer)及處理器單元三個部分，如圖 2-11 所示。. A. 辨識元件(Recognize element) 辨識元件為生物感測器最前端的部分，主要功能為對分析物進行專一性的辨識。例如 : 人工抗體、酵素、細胞、微生物等。目前分子拓印高分子技術已被用來作為辨識元件感測生物分子[101]。. B. 訊號轉換器(Transducer) 訊號轉換器主要功能是將辨識元件接收到之光、電、熱、重量等變化[102]，所導致的化學物理量轉換成數值訊號的方式轉換成可處理之訊號裝置。其各種生物感測器之訊號轉換器，如表 2-4 所示。. C. 處理單元(Signal processing unit) 處理單元主要功能是將訊號轉換器轉出之數值進行訊號放大、濾波獲取樣等處理，以提昇訊號品質。. 整個生物感測器之設計會先於基質表面進行修飾，再添入生物辨識元件，當辨識元件與生物待測分子進行結合時，會有電、光、重量、熱等物理化學變化，接著以訊號轉換器，將此些反應訊號之改變，經由訊號處理單元進行訊號放大處理而得到我們所需的數值。本實驗室中以分子拓印之技術結合不同類型之感測器應用於疾病檢測，如表 2-5 所示，可得知感測器的感測極限。. 33.

(52) 圖 2-11 生物感測器組成示意圖. 34.

(53) 表2-4. 各種生物感測器的訊號轉換器[103] Transducer. Electrochemical. Thermal. Optical. Mass/acoustic. - Potentiometric - Amperometric - Impedimetric - Conductometric. - Adiabatic - Heat conduction. - Absorbance - Reflectance - Refractive index - Luminescence - Surface plasmon resonance - Surface enhanced raman - Fiber optical waveguides - Planar waveguides - Chemiluminescence. - Piezoelectric - Cantilever - Surface acoustic wave - Surface transverse wave - Flexural plate mode. 35.

(54) 表2-5. 本實驗室之感測器量測極限. Biomarkers. Reference conc.. Limit of detection (LOD). Ref.. 3-Hydroxyanthranilic acid (3-HAA). 0.05~0.55 g/mL. 1 pg/mL. [80]. Melatonin. 2.0~35.4 pg/mL. 0.1 pg/mL. [83]. QCM. Lysozyme. 0~3 μg/mL. 0.1 ng/mL. [75]. QDs@MIPs. Amylase. Up to 2 pM. 3.1 μg/mL. [86]. Sensor. Electrochemical. 36.

(55) 2.4.3 奈米材料應用於生物感測器近年來有許多研究運用奈米材料製造生物感測器，應用此些奈米材料具有提高準確率以及靈敏度之特性，因其奈米材料修飾辨識元件，藉由小尺寸效應、表面效應及量子效應等，使物理化學變化可以放大。目前常見之奈米材料有量子微粒、奈米粒子、奈米線、奈米薄膜、奈米管等[104-106]。以半導體奈米材料研發出矽奈米線場校電晶體 (Silicon nanowire field-effect transistor, SiNW-FET)，矽奈米線場效電晶體之生物感測器是由矽奈米線修飾表面的受體做成感測元件，浸泡於含有目標分子之溶液時，目標分子會與受體結合於表面，此時生物分子所帶的電荷會形成電場，影響矽奈米線場校電晶體內的電子或電動數量，引發導電度的上升或是下降，並藉由矽奈米線可提升其感測器靈敏度 [107]。另有研究應用氧化鋅奈米針於生物感測器，藉由氧化鋅奈米針可以增加其比表面積，並結合免疫分析之方式於表面種上抗體，由於比表面積的增加，使其表面可容納更多的抗體，提高生物感測器之與穩定度，並可往更小的濃度偵測[108]。現今奈米材料於科學研究與應用相當的範圍，從過去文獻中以分子拓印技術結合成生物感測器之應用如表 2-6 所示。而本實驗室之研究是利用水熱法於絲網印刷金電極上成長陣列氧化鋅奈米柱，並塗佈褪黑激素分子拓印聚乙烯乙烯醇於氧化鋅奈米柱上進行螢光量子點之測量，藉由分子拓印模板具有專一辨識性去吸附目標分子，經螢光進行真實尿液之吸附量測其平均準確率可達 93.07 ± 3.61% [83]。本研究希冀藉由水熱法於絲網印刷金電極上成長氧化鋅奈米柱，並塗佈分子拓印聚乙烯乙烯醇以提高感測表面積的方式進行電化學的量測。. 37.

(56) 表2-6 Transducer. Electrochemical. Optical. 奈米材料結合生物感測器之應用. Material. Functional. Cross-linker. Target. Ref:. SiO2 film. 2DEMA. -. Diclofenac. [109]. Carbon nanotube. PPy. -. Caffeine. [110]. Carbon nanotube. AAM. NNMBA. Bovine serum albumin. [111]. Carbon nanotube. PMAA. -. Uric acid. [110]. Carbon nanotube. MAA. TRIM. Dopamine. [112]. TiO2 film. PEDOT. -. Nicotine. [113]. ZnO nanoparticle carbon nanotube. Chitosan. -. p-Nitrophen ol. [114]. ZnO nanorod. EVAL. -. Melatonin. [83]. CdSe/ZnS core-shell nanoparticle. MAA. EGDMA. Caffeine. [115]. SiO2 particle. PEI. DEK. Phenol. [116]. SiO2 particle. MIPP. -. Chloram-phe nicol. [117]. TiO2 nanoparticle. MAA. 3TPMA. Ethofumesat e. [118]. TiO2 fiber. PEI. -. Formaldehy de. [119]. TiO2 film. n-Butoxide. -. D-glucose. [120]. Mass. 註:2DEMA:2-(dimethylamino)ethyl-methacrylate, NNMBA:N,N'-methylenebisacrylamide, MAA:methacrylic acid, TRIM: trimethylolpropane trimethacrylate, PEDOT: poly(3,4-ethylenedioxythiophene), EVAL: poly（ethylene-co-vinyl alcohol） EGDMA:ethylene glycol dimethacrylic acid, PEI:polyethyleneimine, 3TPMA:3-(trimethoxysilyl) propylmethacrylate, PPy:polypyrrole, AAM:acrylamide, DEK:Diepoxyalkyl. 38.

(57) 2.5 氧化鋅的簡介 2.5.1 氧化鋅基本特性與應用氧化鋅為鋅之氧化物，不易溶於水但可溶於酸及強鹼，屬於 II-VI 族之 n 型半導體材料，因其晶體粒子變小，導致表面電子及晶體發生變化，造成許多特性變化。室溫下能隙(Direct band gap)約為 3.4 eV，非常適用於短波長之光電元件，因具原子鍵結混和離子鍵與共價鍵的性質，所以有很高的激子束縛能(Binding energy)約為 60 meV，因此擁有良好熱穩定性並適合作為發光元件之應用[121, 122]，其他特性如表 2-7 所示。氧化鋅通常以纖鋅礦結構(Wurzite)結構存在，但也有立方晶體形式成形，其結構有中心對稱性但沒有軸對稱性。纖鋅礦晶體結構是一種六角形的氧化物半導體，如圖 2-12 所示，每個鋅原子會與四個氧原子鍵結，形成以 sp3 軌域共價鍵之四面體結構，氧原子也一樣與四個鋅原子鍵結，而鋅離子以及氧離子之間沿著 c 軸的交叉排列造成氧化鋅成為一帶有極性之結晶[123]。氧化鋅可藉由摻雜 III 族元素，將多出的電子成為施體(Donor)變為外質摻雜 n 型半導體，即可以提高其載子濃度進而增加其導電率[124]。此外，鋅的優點不僅成本低、資源豐富且不具毒性，且氧化鋅奈米結構有極好的化學穩定性、熱穩定性和高的表面積等，可應用於感測器[125]、太陽能電池[126]、壓電元件[127]、陰極發射元件[128]等地方. 39.

(58) 表2-7. 纖鋅礦結構之氧化鋅物理特性[129]. Property Lattice parameters at 300K: a0 c0 a0/c0 u Density Stable phase at 300K Melting point Linear expansion coefficient(/℃) Thermal conductivity Refractive index Energy gap Intrinsic carrier concentration Exciton binding energy Electron effective mass Electron Hall mobility at 300K (for low n-type conductivity) Hole Hall mobility at 300K (for low p-type conductivity) Hole effective mass. Value. 0.32495 nm 0.52069 nm 1.602 (ideal hexagonal structure shows 1.633) 0.345 5.606 g/cm3 Wurtzite 1975 ℃ a0 : 6.5 x 10-6 c0 : 3.0 x 10-6 0.6, 1-1.2 2.008, 2.029 3.4 eV, direct <106 cm-3 (max n-type doping > 1020 cm-3 electrons ; max p-type doping < 1017 cm-3 holes) 60 meV 0.24 200 cm2/Vs 5-50 cm2/Vs 0.59. 40.

(59) 圖 2-12 氧化鋅之纖鋅礦結構[123]. 41.

(60) 2.5.2 水熱法製備氧化鋅之文獻回顧水熱法製備之方式具有低溫、便利、製程上簡單且具有生成物品質較好等特性。在 1960 年 Laudise 與 Ballman 兩位學者首先提出以水熱法製備氧化鋅晶體之長晶理論，並將水熱反應的機制分成原位生長(In-situ)和溶解析出 (Dissolution-precipitation)兩種。原位生長機制主要是來自起始劑會以結晶結構的重新排列及伴隨脫水反應之生成，導致金屬離子擴散、結晶結構在重排汗脫水反應，進而成核成長。而溶解析出機制是以水熱條件使固態原料溶解成均勻溶液，當溶液達到飽和時，會開始成核而產生結晶生成的現象，其主要原因是使溶液與中間物之溶解度的差異，導致析出物質會成核並成長成自由能較低之穩定相[130]。 2001 年 Vayssiers 等學者以硝酸鋅及環六亞甲基四胺水溶液作為反應之前驅物，並於銦錫氧化物玻璃基板上進行水熱法成長出氧化鋅奈米柱陣列[131]，利用反應的時間差，在銦錫氧化物與氟錫氧化物玻璃上成功製備出中空管狀氧化鋅奈米柱[132]，以及在矽基板上直接成長氧化鋅奈米線[133]。Tian 等學者是先於基板表面上製備晶種層，再於硝酸鋅與環六亞甲基四胺水溶液中加入檸檬酸鈉當作改質劑做反應，即可製備出具有螺旋狀(helical)氧化鋅奈米結構[134]。 2005 年 Kwon 等學者以水熱法在成長奈米氧化鋅，發現其晶種層的均勻度，對氧化鋅成長方向有著很大的影響。晶種層如果為皺褶的結構，氧化鋅會以晶種層之切線面的垂直方向成長，導致表面也呈現皺褶結構，所以晶種層平整度對於氧化鋅形貌有很大的影響[135]。 2006 年 Dem’yanets 等學者使用水熱法合成出不同顆粒形狀及大小的奈米氧化鋅，應用醋酸鋅或硝酸鋅與合適的氫氧化物做反應，並置於高壓水熱釜中，以等溫條件或可變溫(120~250℃)的條件下進行製備氧化鋅。其氧化鋅晶體具有六角結構，尺寸約在 100 nm~20 μm，發現藉由水熱時間增加，會導致. 42.

(61) 氧化鋅顆粒的直徑變大[136]。 2010 年 Shin 等學者於聚對苯二甲酸乙二酯的高分子軟板(PET)上濺鍍一層銦錫氧化物薄膜，並以硝酸鋅與環六亞甲基四胺水溶液作為水熱法反應之前驅物，藉由控制不同前驅物溶液之濃度，來觀察氧化鋅奈米柱結構的改變。結果可發現前驅液濃度越高，氧化鋅奈米柱的成長方向性越為一致且其氧化鋅柱直徑也會變越大[137]。以水熱法長晶之優點為降低製程上的成本，因其製程皆於低溫環境 (100~200℃)下，所以可進行高分子及軟性基板的表面長晶，製程也可在常壓下進行，基板的尺寸大小不會受到高壓或真空腔體的限制，大尺寸的製程也增加了經濟效益，還有著簡單控制其配比和結構型態及製備出的產物結晶性好、團聚較少且純度高等優點[137]。. 43.

(62) 2.5.3 水熱法製備氧化鋅之原理水熱法又稱熱液法，屬於液相化學法。以密封之壓力容器，達到高溫高壓之條件下進行化學反應，也可於低溫與常壓下進行。相較於物理氣相沉積 (Physical vapor deposition, PVD)[138]、溶膠凝膠法等，水熱法最大的優點為不需高溫燒結。水熱法反應可依其反應類型分為水熱氧化、水熱還原、水熱沉澱、水熱合成、水熱結晶及水熱水解等，其中水熱結晶最常被應用。[139, 140]. A.. 水熱氧化(Hydrothermal oxidation) 以金屬單質為前驅物．藉由水熱法反應可得到金屬氧化物粉體。使用此. 方式製備的特點為反應時間較短、晶粒尺寸平均且團聚少。典型之反應式如下所示。 mM + nH2O. MmOn + nH2. (M 為金屬，可為鐵及合金等). B.. 水熱沉澱(Hydrothermal precipitation) 以水熱下進行沉澱生成反應而合成新的化合物，又可分為水熱均勻沉澱. 法 (Hydrothermal homogeneous precipitation) 及水熱共沉澱法 (Hydrothermal coprecipitation)兩種。其反應式如下所示。. 4KF + 2MnCl2 C.. 2KMnF2 + 2KCL + Cl2. 水熱結晶(Hydrothermal crystallization) 在水熱中使用溶膠凝膠等非晶質結晶進行生成結晶物質。反應式如下。. Al2O3．3H2O. 2Al(OH)3. 44.

(63) D.. 水熱合成(Hydrothermal synthesis) 以一元金屬氧化物或鹽類在水熱下反應合成二元或多元化合物。. E.. 水熱分解(Hydrothermal decomposition) 在水熱下分解化合物並生成其有用的化合物。. 水熱法製備金屬氧化物，是以金屬鹽類作為前驅物，再加入介面活性劑控制其生長型態，並將溶液製成低飽和度的過飽和溶液，藉由控制溶液的濃度、溫度、pH 值、反應時間等條件，改變溶液的溶解度與飽和度，晶體會於反應過程中因為過飽和而析出。. 結晶的過程中除了溶液需處於過飽和條件之外，內部還需要具有形成晶相之核，使新相的面不斷往外增長，此過程稱為成核(Nucleation)，以晶相介面可區分為均質成核 (Homogeneous nucleation) 與異質成核 (Heterogeneous nucleation)[141, 142]。. 1.. 均質成核(Homogeneous nucleation) 一完美晶體中，只靠應力作用不需以外的作用力生成，為一種最簡單的. 成核方式，其需要較高的自由能才能成核，因此要相當高的過飽和(Super saturation)程度。. 2.. 異質成核(Heterogeneous nucleation) 異質相介面的存在，包括雜質、缺陷、容器表面及原有的晶相面等，而. 晶核會在這些異質晶相面上形成，而反應過程中已經包含不均勻之晶相，所以其活化能可大幅下降，使反應更容易進行。. 45.